Kärnvapen är de mest effektiva i mänsklighetens historia när det gäller kostnad / effektivitet: de årliga kostnaderna för att utveckla, testa, tillverka och underhålla dessa vapen utgör från 5 till 10 procent av USA: s militärbudget och Ryska federationen - länder med ett redan bildat kärnkraftsproduktionskomplex, utvecklad atomkraftsteknik och tillgången på en flotta av superdatorer för matematisk modellering av kärnkraftsexplosioner.
Användningen av kärnkraftsanordningar för militära ändamål är baserad på egenskapen hos atomer av tunga kemiska grundämnen att förfalla till atomer av lättare element med frigörande av energi i form av elektromagnetisk strålning (gamma- och röntgenstrålar), liksom i form av kinetisk energi för spridning av elementära partiklar (neutroner, protoner och elektroner) och kärnor i atomer av lättare element (cesium, strontium, jod och andra)
De mest populära tunga elementen är uran och plutonium. Deras isotoper, när kärnan klyvs, avger från 2 till 3 neutroner, vilket i sin tur orsakar klyvning av kärnorna i närliggande atomer etc. En självförökande (så kallad kedja) reaktion med utsläpp av en stor mängd energi sker i ämnet. För att starta reaktionen krävs en viss kritisk massa, vars volym är tillräcklig för att fånga upp neutroner med atomkärnor utan att neutroner utsänds utanför ämnet. Kritisk massa kan reduceras med en neutronreflektor och en initierande neutronkälla
Klyvningsreaktionen startas genom att kombinera två subkritiska massor till en superkritisk eller genom att komprimera ett sfäriskt skal av en superkritisk massa till en sfär och därigenom öka koncentrationen av klyvbart material i en given volym. Klyvbart material kombineras eller komprimeras genom en riktad explosion av ett kemiskt sprängämne.
Förutom klyvningsreaktionen för tunga element används reaktionen av syntes av lätta element i kärnkraftsladdningar. Termonukleär fusion kräver uppvärmning och komprimering av material upp till flera tiotals miljoner grader och atmosfärer, vilket endast kan tillhandahållas på grund av den energi som frigörs under klyvningsreaktionen. Därför är termonukleära laddningar utformade enligt ett tvåstegsschema. Isotoperna av väte, tritium och deuterium (som kräver minimivärden för temperatur och tryck för att starta fusionsreaktionen) eller en kemisk förening, litiumdeuterid (den senare, under påverkan av neutroner från explosionen i det första steget, är uppdelad till tritium och helium) används som lätta element. Energi i fusionsreaktionen frigörs i form av elektromagnetisk strålning och kinetisk energi från neutroner, elektroner och heliumkärnor (så kallade alfapartiklar). Energiutsläppet för fusionsreaktionen per massenhet är fyra gånger högre än fissionsreaktionen
Tritium och dess självförfallsprodukt deuterium används också som en källa till neutroner för att initiera klyvningsreaktionen. Tritium eller en blandning av väteisotoper, under verkan av kompressionen av plutoniumskalet, går delvis in i en fusionsreaktion med frisättning av neutroner, som omvandlar plutonium till ett superkritiskt tillstånd.
Huvudkomponenterna i moderna kärnstridsspetsar är följande:
-stabil (spontant icke-klyvbar) isotop av uran U-238, extraherad ur uranmalm eller (i form av en orenhet) från fosfatmalm;
-radioaktiv (spontant klyvbar) isotop av uran U-235, extraherad ur uranmalm eller framställd ur U-238 i kärnreaktorer;
-radioaktiv isotop av plutonium Pu-239, producerad av U-238 i kärnreaktorer;
- stabil isotop av väte deuterium D, extraherad från naturligt vatten eller framställt av protium i kärnreaktorer;
- radioaktiv isotop av vätetritium T, producerat av deuterium i kärnreaktorer;
- stabil isotop av litium Li-6, extraherad från malm;
- stabil isotop av beryllium Be-9, extraherad från malm;
- HMX och triaminotrinitrobensen, kemiska sprängämnen.
Den kritiska massan av en boll av U-235 med en diameter på 17 cm är 50 kg, den kritiska massan av en boll av Pu-239 med en diameter på 10 cm är 11 kg. Med en berylliumneutronreflektor och en tritiumneutronkälla kan den kritiska massan reduceras till 35 respektive 6 kg.
För att eliminera risken för spontan drift av kärnkraftsavgifter använder de den s.k. vapen-klass Pu-239, renat från andra, mindre stabila isotoper av plutonium till en nivå av 94%. Med en periodicitet på 30 år renas plutonium från produkterna av spontan kärnkraftsförfall av dess isotoper. För att öka den mekaniska hållfastheten legeras plutonium med 1 massprocent gallium och beläggs med ett tunt lager nickel för att skydda det från oxidation.
Temperaturen för strålning självuppvärmning av plutonium vid lagring av kärnkraftsladdningar överstiger inte 100 grader Celsius, vilket är lägre än sönderdelningstemperaturen för ett kemiskt sprängämne.
Från och med år 2000 uppskattas mängden vapenplutonium som Ryska federationen förfogar över till 170 ton, USA - till 103 ton plus flera tiotals ton som accepteras för lagring från Natoländerna, Japan och Sydkorea, som inte har kärnvapen. Ryska federationen har den största produktionskapaciteten i plutonium i världen i form av kärnvapenreaktorer av hög kvalitet och kraft. Tillsammans med plutonium till en kostnad av cirka 100 US-dollar per gram (5-6 kg per laddning) produceras tritium till en kostnad av cirka 20 tusen US-dollar per gram (4-5 gram per laddning).
De tidigaste konstruktionerna av kärnklyvningsavgifter var Kid and Fat Man, som utvecklades i USA i mitten av 1940-talet. Den senare typen av laddning skilde sig från den första i den komplexa utrustningen för synkronisering av detonering av många elektriska detonatorer och i dess stora tvärgående dimensioner.
"Kid" gjordes enligt ett kanonschema - en artillerilåda var monterad längs luftbombkroppens längdaxel, vid vars dämpade ände var hälften av det klyvbara materialet (uran U -235), andra halvan av det klyvbara materialet var en projektil som accelererades med en pulverladdning. Användningsfaktorn för uran i klyvningsreaktionen var cirka 1 procent, resten av U-235-massan föll ut i form av radioaktivt nedfall med en halveringstid på 700 miljoner år.
"Fat Man" gjordes enligt ett implosivt schema-en ihålig sfär av klyvbart material (Pu-239 plutonium) omgavs av ett skal av uran U-238 (pusher), ett aluminiumskal (släckare) och ett skal (implosion) generator), bestående av fem- och sexkantiga segment av ett kemiskt sprängämne, på vars yttre yta elektriska detonatorer installerades. Varje segment var en detonationslins av två typer av sprängämnen med olika detonationshastigheter, som omvandlade den divergerande tryckvågen till en sfärisk konvergerande våg, vilket komprimerade aluminiumskalet enhetligt, vilket i sin tur komprimerade uranskalet, och det där - plutoniumsfären tills dess innerhålan stängd. En aluminiumabsorberare användes för att absorbera tryckvågens rekyl när den passerar in i ett material med högre densitet, och en uranpusher användes för att inertiskt hålla plutonium under klyvningsreaktionen. I plutoniumkulans inre kavitet hittades en neutronkälla, gjord av den radioaktiva isotopen polonium Po-210 och beryllium, som avgav neutroner under påverkan av alfastrålning från polonium. Användningsfaktorn för klyvbart material var cirka 5 procent, halveringstiden för radioaktivt nedfall var 24 tusen år.
Direkt efter skapandet av "Kid" och "Fat Man" i USA började arbetet med att optimera utformningen av kärnkraftsavgifter, både kanon- och implosionssystem, som syftar till att minska den kritiska massan, öka utnyttjandegraden av klyvbart material, förenkla elektrisk detonationssystem och minska storleken. I Sovjetunionen och andra stater - ägare av kärnvapen, skapades avgifterna initialt enligt ett implosivt system. Som ett resultat av optimeringen av konstruktionen minskades den kritiska massan av klyvbart material och koefficienten för dess användning ökades flera gånger på grund av användningen av en neutronreflektor och en neutronkälla.
Berylliumneutronreflektorn är ett metallskal upp till 40 mm tjockt, neutronkällan är gasformig tritium som fyller en hålighet i plutonium eller tritiumimpregnerad järnhydrid med titan lagrad i en separat cylinder (booster) och frigör tritium under uppvärmning. med elektricitet omedelbart innan du använder en kärnkraftladdning, varefter tritium matas genom gasledningen in i laddningen. Den senare tekniska lösningen gör det möjligt att multiplicera kraften i kärnkraftsavgiften beroende på volymen av pumpat tritium, och underlättar också bytet av gasblandningen med en ny var 4-5: e år, eftersom halveringstiden för tritium är 12 år. En överskott av tritium i booster gör det möjligt att minska den kritiska massan av plutonium till 3 kg och avsevärt öka effekten av en så skadlig faktor som neutronstrålning (genom att minska effekten av andra skadliga faktorer - en chockvåg och ljusstrålning). Som ett resultat av designoptimering ökade utnyttjandefaktorn för klyvbart material till 20%, vid överskott av tritium - upp till 40%.
Kanonsystemet förenklades på grund av övergången till radial-axiell implosion genom att göra en uppsättning klyvbart material i form av en ihålig cylinder, krossad av explosionen av två ändar och en axiell explosiv laddning
Det implosiva systemet optimerades (SWAN) genom att göra sprängämnets yttre skal i form av en ellipsoid, vilket gjorde det möjligt att minska antalet detonationslinser till två enheter med avstånd från ellipsoidens poler - skillnaden i detonationsvågens hastighet i detonationslinsens tvärsnitt säkerställer att chockvågen samtidigt närmar sig den sfäriska ytan, det inre lagret av sprängämnet, vars detonation komprimerar berylliumskalet enhetligt (kombinerar funktionerna hos en neutronreflektor och en tryckvågsrekylspjäll) och en plutoniumkula med ett inre hålrum fyllt med tritium eller dess blandning med deuterium
Den mest kompakta implementeringen av implosionsschemat (används i den sovjetiska 152 mm-projektilen) är utförandet av en explosiv-beryllium-plutonium-enhet i form av en ihålig ellipsoid med variabel väggtjocklek, vilket ger beräknad deformation av enheten under inverkan av en chockvåg från en explosiv explosion till en slutlig sfärisk struktur
Trots olika tekniska förbättringar förblev kraften i kärnklyvningsavgifter begränsade till 100 Ktn i TNT -ekvivalent på grund av den oundvikliga expansionen av de yttre skikten av klyvbart material under explosionen med uteslutning av materia från klyvningsreaktionen.
Därför föreslogs en konstruktion för en termonukleär laddning, som inkluderar både tunga klyvningselement och lätta fusionselement. Den första termonukleära laddningen (Ivy Mike) gjordes i form av en kryogen tank fylld med en flytande blandning av tritium och deuterium, i vilken en implosiv kärnladdning av plutonium var belägen. På grund av de extremt stora dimensionerna och behovet av konstant kylning av den kryogena tanken användes i praktiken ett annat schema - en implosiv "puff" (RDS -6s), som innehåller flera alternerande lager av uran, plutonium och litiumdeuterid med en extern berylliumreflektor och en intern tritiumkälla
Emellertid begränsades "puffens" kraft också av nivån 1 Mtn på grund av början av klyvnings- och syntesreaktionen i de inre skikten och expansionen av oreagerade yttre skikt. För att övervinna denna begränsning utvecklades ett schema för komprimering av ljuselement i fusionsreaktionen med röntgenstrålar (andra steget) från klyvningsreaktionen för tunga element (första steget). Det enorma trycket av flödet av röntgenfotoner som frigörs i klyvningsreaktionen gör att litiumdeuterid kan komprimeras 10 gånger med en ökning i densitet med 1000 gånger och värmas upp under kompressionsprocessen, varefter litium exponeras för neutronflödet från klyvningsreaktion, förvandlas till tritium, som går in i fusionsreaktioner med deuterium. Tvåstegsschemat för en termonukleär laddning är det renaste när det gäller radioaktivitetsutbytet, eftersom sekundära neutroner från fusionsreaktionen bränner ut oreagerat uran / plutonium till kortlivade radioaktiva element, och själva neutronerna släcks i luften med en räckvidd på cirka 1,5 km.
För enhetlig pressning av det andra steget görs den termonukleära laddningens form i form av ett jordnötsskal, vilket placerar sammansättningen av det första steget i det geometriska fokuset på en del av skalet och montering av andra etappen i den geometriska fokuseringen av den andra delen av skalet. Enheterna är upphängda i huvuddelen av kroppen med hjälp av skum- eller aerogelfyllmedel. Enligt optikreglerna koncentreras röntgenstrålningen från explosionen i det första steget i förträngningen mellan skalets två delar och fördelas jämnt över ytan på det andra steget. För att öka reflektiviteten i röntgenområdet täcks laddningskroppens inre yta och den yttre ytan på det andra steget med ett lager tätt material: bly, volfram eller uran U-238. I det senare fallet blir den termonukleära laddningen i tre steg-under påverkan av neutroner från fusionsreaktionen förvandlas U-238 till U-235, vars atomer går in i en klyvningsreaktion och ökar explosionskraften
Trestegsplanen införlivades i utformningen av den sovjetiska flygbomben AN-602, vars designkraft var 100 Mtn. Före testet uteslöts det tredje steget från dess sammansättning genom att ersätta U-238 uran med bly på grund av risken för att expandera zonen för radioaktivt nedfall från klyvningen av U-238 bortom testplatsen. Den faktiska kapaciteten för tvåstegsmodifieringen av AN-602 var 58 Mtn. En ytterligare ökning av effekten hos termonukleära laddningar kan göras genom att öka antalet termonukleära laddningar i den kombinerade explosiva enheten. Detta är dock inte nödvändigt på grund av bristen på adekvata mål - den moderna analogen av AN -602, placerad ombord på Poseidon undervattensfordon, har en radie för förstörelse av byggnader och strukturer genom en chockvåg på 72 km och en radie av bränder på 150 km, vilket är tillräckligt för att förstöra megabyer som New York eller Tokyo
Ur en synvinkel att begränsa konsekvenserna av användningen av kärnvapen (territoriell lokalisering, minimering av radioaktivitet, taktisk användning), s.k. precisions enstegsladdningar med en kapacitet på upp till 1 Ktn, som är utformade för att förstöra punktmål - missilsilor, huvudkontor, kommunikationscentra, radarer, luftförsvarsmissilsystem, fartyg, ubåtar, strategiska bombplan, etc.
Utformningen av en sådan laddning kan göras i form av en implosiv enhet, som innehåller två ellipsoidala detonationslinser (kemiskt sprängämne från HMX, inert material av polypropen), tre sfäriska skal (neutronreflektor av beryllium, piezoelektrisk generator gjord av cesiumjodid, klyvbart material från plutonium) och en inre sfär (litiumdeuteridfusionsbränsle)
Under verkan av en konvergerande tryckvåg genererar cesiumjodid en superkraftig elektromagnetisk puls, elektronflödet genererar gammastrålning i plutonium, som slår ut neutroner från kärnor och därigenom initierar en självförökande klyvningsreaktion, röntgenkomprimerar och värmer litiumdeuterid, neutronflödet genererar tritium från litium, som reagerar med deuterium. Den centripetala riktningen för klyvning och fusionsreaktioner säkerställer 100% användning av termonukleärt bränsle.
Vidareutveckling av kärnladdningsdesigner i riktning mot att minimera effekt och radioaktivitet är möjlig genom att ersätta plutonium med en anordning för laserkomprimering av en kapsel med en blandning av tritium och deuterium.
